JP6460372B2 - Magnetic sensor, method for manufacturing the same, and measuring instrument using the same - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサにかかり、特に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor, and more particularly to a magnetic sensor using a magnetoresistive effect element.
計測装置として、磁界の変化を検出可能な磁気センサが開発されており、例えば、電流計、磁気エンコーダなど、種々の用途に用いられている。このような磁気センサの一例が下記非特許文献1に開示されており、磁界の変化を検出する素子としてGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子(Giant Magneto Resistive effect 素子)を用いている。なお、GMR素子は、入力される磁気に応じて出力される抵抗値が変化する素子であり、この出力される抵抗値に基づいて、検出された磁界の変化を計測することができる。
As a measuring device, a magnetic sensor capable of detecting a change in a magnetic field has been developed, and is used for various applications such as an ammeter and a magnetic encoder. An example of such a magnetic sensor is disclosed in Non-Patent
そして、GMR素子を用いた磁気センサの具体的な構成の一例としては、特許文献1に示すように、基板上に4つのGMR素子を配置し、ブリッジ回路を構成する。そして、ブリッジ回路の差動電圧を検出することで、検出対象となる磁界が変化することに伴うGMR素子の抵抗値の変化を検出する。これにより、磁界の変化に高感度なセンサを構成することができる。
And as an example of the concrete structure of the magnetic sensor using a GMR element, as shown in
具体的に、特許文献1に開示されている磁気センサは、磁界の変化を検出する素子として、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)を用いたGMRチップ(磁界検出チップ)を備えている。そして、GMR素子は、それぞれの一面に、所定の方向の磁界を検出可能なよう所定方向に磁化固定されている。このとき、GMRチップの小型化、及び、個々の抵抗値のばらつきを小さくするために、1つのGMRチップ上にブリッジ回路を形成する4つのGMR素子を形成している。このため、4つ全てのGMR素子の磁化固定方向は全て同一方向である。
Specifically, the magnetic sensor disclosed in
このようなブリッジ回路を形成するGMRチップを用いて一方向の磁界を検出する場合、特許文献1では当該ブリッジ回路にて相互に隣り合って接続されていない対となる磁気抵抗効果素子をほぼ同一箇所に形成した素子形成部の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置している。
When a unidirectional magnetic field is detected using a GMR chip that forms such a bridge circuit, in
さらに前記磁性体は、一方向の外部磁界を、磁気抵抗効果素子間で異なる方向に変化させることが出来る。これにより、ブリッジ回路以内の2箇所の素子形成部に対し、一方に対しては磁化固定方向に、他方に対してはその反対方向に、磁界が入射されるように配置されている。これによりブリッジ回路から大きな差動電圧を出力し、一方向の磁界の検出精度の向上を図っている。 Further, the magnetic body can change an external magnetic field in one direction in different directions between magnetoresistive elements. Thus, the two element forming portions within the bridge circuit are arranged so that the magnetic field is incident on the one in the magnetization fixed direction and the other in the opposite direction. As a result, a large differential voltage is output from the bridge circuit to improve the detection accuracy of the magnetic field in one direction.
しかしながら、上記特許文献1に開示の技術では、前記素子形成部により構成される前記ブリッジ回路を形成する工程と、前記磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体を配置する工程が別工程となっており、行程数が増える事による製造コストの増加という問題があった。
However, in the technique disclosed in
さらに、前記磁性体を配置する工程は前記ブリッジ回路を形成する工程とは別工程である事から、前記磁性体を精度良く配置する事が困難であり、前記磁性体が配置される位置バラツキにより磁界検出精度が低下するという問題もある。 Furthermore, since the step of arranging the magnetic body is a step separate from the step of forming the bridge circuit, it is difficult to place the magnetic body with high accuracy, and due to variations in the position where the magnetic body is arranged. There is also a problem that the magnetic field detection accuracy decreases.
また、前記磁性体を配置する工程は前記ブリッジ回路を形成する工程とは別工程である事から、前記磁性体を固定する為の接着工程も必要となり、さらに製造コストが増加する問題もある。 In addition, since the step of arranging the magnetic body is a step different from the step of forming the bridge circuit, an adhesion step for fixing the magnetic body is also required, and there is a problem that the manufacturing cost increases.
そして、前記磁性体を固定するための前記接着工程を使用する製造方法では、前記磁性体と前記磁気抵抗効果素子が形成されている面に垂直な方向(Z軸方向)において、接着工程または接着剤による隙間(ギャップ)が形成され、前記磁性体と前記磁気抵抗効果素子の前記Z軸方向における距離が広がってしまい、磁界検出精度が低下するという問題もある。 In the manufacturing method using the bonding step for fixing the magnetic body, the bonding step or bonding is performed in a direction (Z-axis direction) perpendicular to the surface on which the magnetic body and the magnetoresistive element are formed. There is a problem that a gap (gap) is formed by the agent, and the distance between the magnetic body and the magnetoresistive element in the Z-axis direction is widened, and the magnetic field detection accuracy is lowered.
さらに、前記磁性体を配置する為の治具または装置に加え、前記磁性体を固定する為の接着工程での治具または装置が必要となり製造コストが増加するという問題もある。 Furthermore, in addition to the jig or apparatus for placing the magnetic body, a jig or apparatus in the bonding process for fixing the magnetic body is required, which increases the manufacturing cost.
また、前記磁性体は前記磁気抵抗効果素子形成工程とは別工程で制作しなくてはならず、形状およびサイズも制限されてしまう事から、センサの小型化を図る事は出来ないという問題があった。 In addition, the magnetic body must be produced in a process separate from the magnetoresistive element forming process, and the shape and size are limited. Therefore, there is a problem that the sensor cannot be reduced in size. there were.
そして、前記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、センサが検出可能である最小の寸法(面分解能)は、前記磁性体の前記磁化固定方向の寸法により制限されてしまうことから、前記磁性体が前記磁気抵抗効果素子の形成工程とは別工程で制作しなくてはならず、前記磁性体のサイズの小型化が制限されてしまうことにより、前記面分解能の向上が図れないという問題があった。 The minimum dimension (surface resolution) that can be detected by the sensor in a direction parallel to the surface on which the magnetoresistive element is formed is limited by the dimension of the magnetic material in the magnetization fixed direction. Therefore, the magnetic body must be produced in a process separate from the process of forming the magnetoresistive effect element, and the reduction in the size of the magnetic body is limited, thereby improving the surface resolution. There was no problem.
このため、本発明の目的は、上述した課題である、小型化及び低コスト化を図りつつ、磁界の検出精度の向上を図ることができる磁気センサを提供する、ことにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a magnetic sensor that can improve the detection accuracy of a magnetic field while achieving downsizing and cost reduction, which are the problems described above.
そこで、本発明の一形態である磁気センサは、入力される磁界の向きに応じて出力する抵抗値が変化する複数の磁気抵抗効果素子が接続され、所定の接続点間の差動電圧を検出可能なよう構成されたブリッジ回路を備えている。さらに、上記ブリッジ回路の周囲に、磁気抵抗効果素子に入力される磁界の向きを変化させる磁性体が配置されており、前記磁性体は成膜プロセスによって形成されている。 Therefore, a magnetic sensor according to one aspect of the present invention is connected to a plurality of magnetoresistive effect elements whose resistance values change depending on the direction of an input magnetic field, and detects a differential voltage between predetermined connection points. It has a bridge circuit configured as possible. Further, a magnetic body that changes the direction of the magnetic field input to the magnetoresistive effect element is disposed around the bridge circuit, and the magnetic body is formed by a film forming process.
また、上記磁気抵抗効果素子と磁性体とは、磁気抵抗効果素子の磁化固定方向に沿って同一直線上(X軸方向)に配置されていると望ましい。 The magnetoresistive element and the magnetic body are preferably arranged on the same straight line (X-axis direction) along the magnetization fixed direction of the magnetoresistive element.
そして、上記磁気センサは、具体的には、上記ブリッジ回路が、4つの上記磁気抵抗効果素子を備えると共に、当該ブリッジ回路にて差動出力部とは逆側で相互に接続されている対となる2つの上記磁気抵抗効果素子で形成された第1、第2の素子形成部を、上記X軸方向に並べて形成し、上記素子形成部の間に上記磁性体を配置した第1の磁気回路形成部を有し、上記第1の磁気回路形成部と同様の構成にて形成されている第3、第4の素子形成部の間に上記磁性体を配置した第2の磁気回路形成部を有し、上記第2の磁気回路形成部は、上記第1の磁気回路形成部に対し、上記磁化固定方向と垂直な方向(Y軸方向)に離間して配置され、上記第1の磁気回路形成部と上記第2の磁気回路形成部の上記磁気抵抗効果素子は上記差動出力部でそれぞれ接続されていてもよい。 More specifically, the magnetic sensor includes a pair in which the bridge circuit includes the four magnetoresistive elements and is connected to each other on the opposite side of the differential output unit in the bridge circuit. A first magnetic circuit in which first and second element forming portions formed by the two magnetoresistive effect elements are formed side by side in the X-axis direction, and the magnetic body is disposed between the element forming portions. A second magnetic circuit forming portion having a forming portion and having the magnetic body disposed between third and fourth element forming portions formed in the same configuration as the first magnetic circuit forming portion. And the second magnetic circuit forming unit is disposed apart from the first magnetic circuit forming unit in a direction perpendicular to the magnetization fixed direction (Y-axis direction). The magnetoresistive element of the forming part and the second magnetic circuit forming part is the differential output part It may be connected, respectively.
上記磁気抵抗効果素子は、当該磁気抵抗効果素子の磁化固定方向が全て同一方向を向いて配置されていてもよい。 The magnetoresistive effect element may be arranged so that the magnetization fixed directions of the magnetoresistive effect element are all directed in the same direction.
さらに、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をh(磁性体の高さ)とし、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向の寸法をw(磁性体の幅)とした時、その寸法の比h/wが1以上であることが望ましい。 Further, in the magnetic body, a dimension in a direction perpendicular to the surface on which the magnetoresistive effect element is formed is h (height of the magnetic substance), and a dimension in the magnetosensitive direction of the magnetoresistive effect element is w ( The ratio of the dimensions h / w is preferably 1 or more.
上記磁気抵抗効果素子が上記磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、上記磁性体形成領域よりも内側に配置されていることが望ましい。 It is desirable that the magnetoresistive effect element is disposed on the inner side of the magnetic body forming region in a direction perpendicular to the magnetic sensing direction of the magnetoresistive effect element.
上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面上に配置されている事が望ましい。 The magnetic body is desirably disposed on the surface on which the magnetoresistive element is formed.
そして、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面上から1つ以上の絶縁膜を含む積層構造を介して配置されていてもよい。 And the said magnetic body may be arrange | positioned through the laminated structure containing one or more insulating films from the surface in which the said magnetoresistive effect element is formed.
また、上記磁性体は、例えば、軟磁性体であるとよい。 Moreover, the said magnetic body is good in it being a soft magnetic body, for example.
上記第1の磁気回路形成部と上記第2の磁気回路形成部に配置された上記第1の磁性体と上記第2の磁性体は、同体であってもよい。 The first magnetic body and the second magnetic body disposed in the first magnetic circuit forming section and the second magnetic circuit forming section may be the same body.
また、本発明の他の形態である計測機器は、上述した磁気センサを備えて構成される。 Moreover, the measuring device which is the other form of this invention is comprised including the magnetic sensor mentioned above.
上記の発明によると、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁性体の形状を自由に形成出来るため、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。 According to the above invention, since the magnetic body is formed by a film forming process, the shape of the magnetic body can be freely formed, so that the magnetic field detection accuracy can be further improved.
このとき、特に、同一の製造プロセスで上記素子形成部と上記磁性体を形成する事から、上記素子形成部の位置に対し上記磁性体を高精度に配置出来る為、磁界検出精度のさらなる向上を図り、加えて、製造バラツキを抑えることができる。さらに、上記磁性体の形状に依存する製造コストの増加を抑えられ、センサの低コスト化を図ることもできる。 At this time, in particular, since the element forming portion and the magnetic body are formed by the same manufacturing process, the magnetic body can be arranged with high accuracy with respect to the position of the element forming portion. In addition, manufacturing variations can be suppressed. Furthermore, an increase in manufacturing cost depending on the shape of the magnetic body can be suppressed, and the cost of the sensor can be reduced.
さらに、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁気センサを1チップ上に形成する事がでるだけでなく、上記磁気センサの低背化、小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。 Furthermore, since the magnetic body is formed by a film forming process, not only the magnetic sensor can be formed on one chip, but also the magnetic sensor can be reduced in height and size, Thereby, the manufacturing efficiency of the chip can be improved, and the cost of the sensor can be reduced.
そして、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、センサが検出可能である最小の寸法(面分解能)は、上記磁性体の上記磁化固定方向の寸法により制限されてしまうことから、上記磁性体を成膜プロセスで形成することにより、上記磁性体を小型に形成したまま、上記磁性体の形状を自由に形成し、さらに上記磁性体を高精度に配置することで、上記センサの磁界検出における上記面分解能の向上を図ることもできる。 The minimum dimension (surface resolution) that can be detected by the sensor in a direction parallel to the surface on which the magnetoresistive element is formed is limited by the dimension of the magnetic material in the magnetization fixed direction. From the above, by forming the magnetic body by a film forming process, the magnetic body is formed in a small size while the magnetic body is formed in a small size, and further, the magnetic body is arranged with high accuracy, The surface resolution can be improved in the magnetic field detection of the sensor.
本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、上記磁性体は成膜プロセスで形成されているため、上記磁気抵抗効果素子が配置されている場所に対し、上記磁性体を高精度に配置することができるため、磁界検出精度向上を図ると共に、製造バラツキを抑えることもできる。 Since the present invention is configured and functions as described above, according to this, since the magnetic body is formed by a film forming process, the magnetic body is disposed at a place where the magnetoresistive effect element is disposed. Since it can arrange | position with high precision, while improving a magnetic field detection precision, manufacturing variation can also be suppressed.
そして、上記磁気抵抗効果素子が形成されている面と平行の方向において、上記磁気センサが検出可能である最小の寸法(面分解能)は、上記磁性体の上記磁化固定方の寸法により制限されてしまうことから、上記磁性体を成膜プロセスで形成し、上記磁性体を小型にしたまま、上記磁性体を高精度に配置することで、上記センサの磁界検出における上記面分解能の向上を図ることもできる。 The minimum dimension (surface resolution) that can be detected by the magnetic sensor in the direction parallel to the surface on which the magnetoresistive element is formed is limited by the dimension of the magnetization fixing direction of the magnetic body. Therefore, the surface resolution in the magnetic field detection of the sensor can be improved by forming the magnetic body by a film forming process and arranging the magnetic body with high accuracy while keeping the magnetic body small. You can also.
また、上記磁気抵抗効果素子が、上記磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、上記磁性体形成領域よりも内側に配置されていることで、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向に対し、上記磁性体からの磁界を一様に入射させることができ、上記磁気センサの検出精度を向上することができる。 In addition, the magnetoresistive effect element is disposed inside the magnetic body forming region in a direction perpendicular to the magnetosensitive effect direction of the magnetoresistive effect element. On the other hand, the magnetic field from the magnetic body can be uniformly incident, and the detection accuracy of the magnetic sensor can be improved.
さらに、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をh(磁性体の高さ)とし、上記磁気抵抗効果素子の前記感磁方向の寸法をw(磁性体の幅)とした時、その寸法の比h/wが1以上で配置されていることから、上記磁気抵抗効果素子の上記感磁方向に対し、効率的に磁界を入射する事ができ、上記磁気センサの検出精度を向上することができる。 Further, in the magnetic body, the dimension in the direction perpendicular to the surface on which the magnetoresistive effect element is formed is h (height of the magnetic body), and the dimension in the magnetosensitive direction of the magnetoresistive effect element is w ( Since the ratio h / w of the dimensions is 1 or more, the magnetic field can be efficiently incident on the magnetosensitive direction of the magnetoresistive element. The detection accuracy of the magnetic sensor can be improved.
また、上記磁性体が成膜プロセスで形成されていることから、上記磁性体の形状を自由に形成する事が可能であり、上記磁性体の形状に依存する製造コストの増加を抑えることが出来る。例えば、上記磁性体が角部に面取り部や切り欠きを有する様な複雑な形状であっても、製造工数を増やすことがない。 Further, since the magnetic body is formed by a film forming process, the shape of the magnetic body can be freely formed, and an increase in manufacturing cost depending on the shape of the magnetic body can be suppressed. . For example, even if the magnetic body has a complicated shape such as a chamfered portion or a notch at a corner, the number of manufacturing steps is not increased.
そして、上記ブリッジ回路を形成する第一の工程と、上記素子形成部の間に上記磁性体を配置する第二の工程を、同一の製造プロセス内で行うことから、上記磁性体を高精度に配置することができるため、磁界検出精度向上を図ると共に、製造バラツキを抑えることもできるだけでなく、製造コストの増加を抑えることが出来る。 Since the first step of forming the bridge circuit and the second step of disposing the magnetic body between the element forming portions are performed within the same manufacturing process, the magnetic body can be made with high accuracy. Therefore, it is possible not only to improve the magnetic field detection accuracy but also to suppress manufacturing variation, and to suppress an increase in manufacturing cost.
さらに、上記磁性体は成膜プロセスで形成されていることから、上記磁気センサを1チップ上に形成する事がでるだけでなく、上記磁気センサの低背化、小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。 Furthermore, since the magnetic body is formed by a film forming process, not only the magnetic sensor can be formed on one chip, but also the magnetic sensor can be reduced in height and size, Thereby, the manufacturing efficiency of the chip can be improved, and the cost of the sensor can be reduced.
本発明の具体的な構成を、実施形態にて説明する。以下、実施形態1乃至2では、本発明における磁気センサの構成を説明し、実施形態3乃至4では、磁気センサを利用した各種計測機器を説明する。
A specific configuration of the present invention will be described in the embodiment. Hereinafter, in
本発明の第1の実施形態を、図1乃至図6を参照して説明する。図1は、GMR素子の特性を説明する図である。図2乃至図4は、GMRチップの一例を示す図である。図5乃至図6は、本実施形態における磁気センサの一例を示す図である。
まず、本発明にて用いられるGMR素子の特性について、図1を参照して説明する。GMR素子は、入力される磁界の向きに応じて出力される抵抗値が変化するスピンバルブ型のGMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)である。そして、図1に、GMR素子に対する磁界Hの侵入角と、抵抗値との関係について示す。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram for explaining the characteristics of the GMR element. 2 to 4 are diagrams showing an example of the GMR chip. 5 to 6 are diagrams showing an example of the magnetic sensor in the present embodiment.
First, characteristics of the GMR element used in the present invention will be described with reference to FIG. The GMR element is a spin valve type GMR element (giant magnetoresistive effect element) in which the output resistance value changes according to the direction of the input magnetic field. FIG. 1 shows the relationship between the penetration angle of the magnetic field H with respect to the GMR element and the resistance value.
図1(a)の例におけるGMRチップ100は、その上面にGMR素子が形成されている。このGMR素子は、矢印A方向の磁界を検出可能なよう当該矢印A方向に磁化固定されて、構成されていることとする。
The
そして、図1(a)において、GMR素子は、当該GMR素子の形成面に対して垂直に入射する磁界H中に配置されている。この場合に、GMR素子の抵抗値は、図1(b)に示すように、「Ro」となる。これに対し、磁界Hの向きが傾くと、図1(a)の点線にて示すように、GMR素子面に対する磁界Hの入射角が、垂直方向から−△θ(△(デルタ):変化量を表すこととして用いる)、あるいは、+△θの角度だけ傾く。すると、GMR素子は、上述したように一方向に磁化固定されているため、その方向において磁界の向きが変化することとなり、図1(b)に示すように、MR抵抗値が変化する。このように、GMR素子は、入射する磁界の向きが垂直な状態にて抵抗値をRoと設定したときに、当該磁界Hの向きが微小角度だけ傾いたときに特に抵抗値が大きく変化するという特性を有する。 In FIG. 1A, the GMR element is disposed in a magnetic field H incident perpendicularly to the formation surface of the GMR element. In this case, the resistance value of the GMR element is “Ro” as shown in FIG. On the other hand, when the direction of the magnetic field H is inclined, as shown by the dotted line in FIG. 1A, the incident angle of the magnetic field H with respect to the GMR element surface is −Δθ (Δ (delta): change amount from the vertical direction. Or tilted by an angle of + Δθ. Then, since the GMR element is magnetized and fixed in one direction as described above, the direction of the magnetic field changes in that direction, and the MR resistance value changes as shown in FIG. Thus, when the resistance value is set to Ro in a state where the direction of the incident magnetic field is vertical, the resistance value of the GMR element greatly changes particularly when the direction of the magnetic field H is inclined by a minute angle. Has characteristics.
[構成]
次に、図2乃至図4を参照して、本実施形態の磁気センサ1に用いるGMRチップ10の構成について説明する。GMRチップ10は、図2に示すように、略直方体形状であり、その一面(上面)に、4つのGMR素子R1,R2,R3,R4が形成されている。これらGMR素子R1,R2,R3,R4は、図4に示すように接続され、ブリッジ回路を構成している。つまり、GMR素子R1,R3と、GMR素子R2,R4がそれぞれ直列に接続されており、当該直列接続されたGMR素子R1,R3とR2,R4とは、電源に対して並列に接続され、閉回路を構成している。これにより、GMR素子R1とR3の接続点Vaと、GMR素子R2とR4の接続点Vbとの間における差動電圧を検出することが可能である。なお、ブリッジ回路は、予めGMRチップ10に、上述したように差動電圧が検出可能なよう形成されていることとする。
[Constitution]
Next, the configuration of the
そして、本実施形態では、特に、図3に示すように、4つのGMR素子のうち、図4に示すブリッジ回路において相互に接続されている対となる2つのGMR素子R1,R2が、ほぼ同一の磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と平行な方向(X軸方向)上の第1の素子形成部11a,第2の素子形成部12aに並べて形成されている。また、第1の磁性体21aがGMR素子R1,R2(第1、第2の素子形成部)の間で、GMR素子R1,R2とほぼ同一の上記X軸方向上の第1の磁気回路形成部31に配置されている。さらに、ブリッジ回路において相互に接続されている対となる他の2つのGMR素子R3,R4が、ほぼ同一の上記X軸方向上の第3の素子形成部11b,第4の素子形成部12bに並べて形成されている。また、第2の磁性体21bがGMR素子R3,R4(第3、第4の素子形成部)の間で、GMR素子R3,R4とほぼ同一の上記X軸方向上の第2の磁気回路形成部32に配置されている。そしてGMR素子R1,R2,R3,R4は、図3の矢印A方向、またはAの方向の180度反転方向に磁化固定されている。素子形成部11、12及び磁性体21a、21bの配置位置はGMR素子R1,R2,R3,R4が形成されている面上に配置されている。なお、磁性体21a、21bの配置位置は上記位置に限定されない。例えばGMR素子R1,R2,R3,R4が形成されている面上に1つ以上の絶縁膜を含む積層構造を介して配置されていてもよい。
In the present embodiment, particularly, as shown in FIG. 3, of the four GMR elements, two GMR elements R1 and R2 forming a pair connected to each other in the bridge circuit shown in FIG. Are formed side by side on the first
そして、上述したように、2つのGMR素子(R1とR2)と1つの磁性体(21a)とで形成された第1の磁気回路形成部31と2つのGMR素子(R3,R4)と1つの磁性体(21b)で形成された第2の磁気回路形成部32は、磁気抵抗効果素子の磁化固定方向と垂直な方向に相互に離間して形成されている。例えば、図3に示すように、GMRチップ10の長辺方向つまり図3のY軸方向における両端付近に、磁気回路形成部31,32が形成されている。
As described above, the first magnetic
また、第1の磁気回路形成部および第2の磁気回路形成部を構成している磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の感磁方向と直行する方向において、磁性体形成領域よりも内側に配置されていることが望ましい。この構成により、磁性体からGMR素子R1、R2、R3,R4に入射される上記X軸方向の磁界Hを、GMR素子R1、R2、R3,R4の素子形成部において一様にすることができる。 In addition, the magnetoresistive effect elements constituting the first magnetic circuit forming portion and the second magnetic circuit forming portion are inward of the magnetic body forming region in the direction perpendicular to the magnetosensitive direction of the magnetoresistive effect element. It is desirable that they are arranged. With this configuration, the magnetic field H in the X-axis direction incident on the GMR elements R1, R2, R3, and R4 from the magnetic material can be made uniform in the element forming portions of the GMR elements R1, R2, R3, and R4. .
さらに、図6に示すように、上記磁性体は、上記磁気抵抗効果素子の形成されている面に垂直な方向の寸法をh(磁性体の高さ)とし、上記磁気抵抗効果素子の前記感磁方向の寸法をw(磁性体の幅)とした時、その寸法の比h/wが1以上で配置されていることがよく、その値は大きいほど望ましい。 Further, as shown in FIG. 6, in the magnetic body, the dimension in the direction perpendicular to the surface on which the magnetoresistive effect element is formed is h (height of the magnetic body), and the sensitivity of the magnetoresistive effect element is set. When the dimension in the magnetic direction is w (the width of the magnetic material), the ratio h / w of the dimensions is preferably 1 or more, and the larger the value, the better.
本発明における磁気センサ1は、上述したGMRチップ10に形成されているブリッジ回路の周囲に、GMR素子R1,R2,R3,R4に入力される磁界Hの向きを変化させる磁性体21を配置している。具体的に、図5に示すように、本実施形態における磁気センサ1は、基板B上に上述したGMRチップ10を搭載し、さらに、GMRチップ10上に形成されたブリッジ回路の各素子形成部11a,11bの間に、第1の磁性体21aを形成した第1の磁気回路形成部31、さらに12a,12bの間に、第2の磁性体22bを形成した第2の磁気回路形成部32載置している。なお、磁性体21a,21bは、例えば、パーマロイ(Ni−Fe合金)やセンダスト(Fe−Si−Al合金)などの軟磁性体であるが、上記磁性体21の機能として、上記磁界Hの向きを変化させることが出来る範囲においてはその材料について限定されない。このように、本実施形態では、特に、第1の磁気回路31と第2の磁気回路32が、ほぼ同一の上記Y軸上に配置された状態となっている。
In the
[動作]
次に、上記構成の磁気センサ1の動作を、図6を参照して説明する。図6は、上述した図4の例と同様に、GMR素子R1,R2,R3,R4の素子面に対してほぼ垂直な磁界H中に磁気センサ1が配置されている場合を示している。すると、本実施形態においては、この図に示すように、磁性体21よりも上方から当該磁性体21の中心付近にかけては、磁界Hは磁性体21に対して引き寄せられ、また、磁性体21の中心付近から各素子形成部11,12が形成された下方においては、磁界Hは磁性体21から離れる方向に曲折される。すると、磁性体21を挟んで位置する各素子形成部11,12(GMR素子(R1とR2、R3とR4))に対しては、それぞれ反対方向の磁界Hが入射することとなる。具体的には、図6の点線矢印Y1,Y2に示すように、素子形成部11のGMR素子R1,R4に対しては、磁化固定方向Aと同一方向の向きに変化した磁界Hが入射し、素子形成部12のGMR素子R2,R3に対しては、磁化固定方向Aとは反対方向の向きに変化した磁界Hが入射することとなる。
[Operation]
Next, the operation of the
すると、ブリッジ回路においては、GMR素子R1,R4の抵抗値と、GMR素子R2,R3の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、GMR素子R1,R4の抵抗値は+ΔRだけ変化し、GMR素子R2,R3の抵抗値は−ΔRだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるVaとVbの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。なお、差動電圧を検出する回路は、例えば、基板B上に形成されており、GMRチップ10上に形成された上記ブリッジ回路に接続されることで、差動電圧を検出することができる。
Then, in the bridge circuit, the resistance values of the GMR elements R1 and R4 and the resistance values of the GMR elements R2 and R3 change to opposite signs. For example, the resistance values of the GMR elements R1, R4 change by + ΔR, and the resistance values of the GMR elements R2, R3 change by -ΔR. As a result, the difference between Va and Vb, which are detection points of the differential voltage, is increased, and a large differential voltage value can be detected. Note that the circuit for detecting the differential voltage is formed on the substrate B, for example, and can be detected by being connected to the bridge circuit formed on the
以上のように、上記構成の磁気センサを用いることで、磁界の検出精度の向上を図ることができる。その結果、磁気センサを種々の計測機器に利用することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、また、磁性体は成膜プロセスにて形成する。さらに、磁性体は上記GMR素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々のGMR素子のばらつきを小さくすることができ、このためブリッジ回路におけるオフセット電圧を抑制して、さらに、磁性体をGMR素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているGMR素子を、一チップ上に形成していてチップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。 As described above, the magnetic field detection accuracy can be improved by using the magnetic sensor having the above-described configuration. As a result, the magnetic sensor can be used for various measuring devices. In particular, in this embodiment, the bridge circuit can be formed on one chip, and the magnetic body is formed by a film forming process. Further, since the magnetic material is manufactured by the same manufacturing process as that for forming the GMR element, the variation of individual GMR elements can be reduced. Therefore, the offset voltage in the bridge circuit is suppressed, and the magnetic material is further reduced. Since the body can be arranged with high accuracy with respect to the position of the GMR element, it is possible to further improve the magnetic field detection accuracy. In addition, the GMR element constituting the magnetic body and the bridge circuit can be formed on one chip, so that the entire chip can be reduced in size, thereby improving the manufacturing efficiency of the chip and reducing the sensor. Cost can also be reduced.
[製造方法]
次に、上述した磁気センサ1の製造方法について説明する。まず、上述したようにブリッジ回路を構成し、各素子形成部11,12に配置されるよう、4つのGMR素子R1,R2,R3,R4をGMRチップ10上に形成する(第一の工程)。続いて、このGMR素子が形成されている面上で、各素子形成部11,12の間に、磁性体21を形成する(第二の工程)。なお、第一の工程と第二の工程は同一プロセス内で行う。さらに、必要に応じて、任意のタイミングにて、GMRチップ10を基板上に配置し、また、各種配線を接続する。
[Production method]
Next, a method for manufacturing the
このようにして、磁気センサ1を製造することができ、単体で、あるいは、他の構成に組み込まれることで、各種計測機器として利用することができる。
In this manner, the
次に、本発明の第2の実施形態を、図7乃至図8を参照して説明する。
[構成]
図7に示すように、本実施形態における磁気センサ1は、上述した実施形態1における、上記第1の磁気回路部の構成要素の1つである上記第1の磁性体21aと、上記第2の磁気回路部内の構成要素の1つである上記第2の磁性体21bが同体であることから、上記GMR素子R1,R2,R3,R4のそれぞれの上記Y軸方向の端部近傍において、上記磁性体21により向きが変えられたのちに上記GMR素子R1,R2,R3,R4に入射される上記磁界Hを、上記X軸方向において、上記X軸方向に一様に入射させることができ、上記GMR素子R1,R2,R3,R4への上記磁界Hの入射方向のバラツキを抑えることが可能となる。さらに上記第1の磁性体21aと、上記第2の磁性体21bが同体であることから、上記磁性体サイズの小型化にともなう、上記成膜工程での製造に起因する形状のバラツキを抑えることも可能となる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[Constitution]
As shown in FIG. 7, the
さらに、図8に示すように、磁性体21に1つ以上の切り欠き部を有していてもよい。上記のように磁性体21に一部の切り欠き部を有することにより、例えば、センサ製造工程におけるGMRチップ配置時における位置決めを容易にする等の効果を付加することもできる。また、上記切り欠き部は、必ずしも2つ装備することに限定されず、1つでもよく、あるいは、3個以上を配置してもよい。ここで「切り欠き部」は、特にその形状を限定するものでなく、図8に記載のような長方形だけでなく、正方形、一部に円弧を伴う形状、または三角形の形状、および前記記載形状を複数組み合わせた形状であってもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the
以上のように、上記構成の磁気センサを用いることで、磁界の検出精度の向上を図ることができる。その結果、磁気センサを種々の計測機器に利用することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、また、磁性体は成膜プロセスにて形成する。さらに、磁性体は上記GMR素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々のGMR素子のばらつきを小さくすることができ、このためブリッジ回路におけるオフセット電圧を抑制して、さらに、上記磁性体をGMR素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、上記磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているGMR素子を、一チップ上に形成していてチップ全体の小型化を図ることができ、これによりチップの製造効率も向上し、センサの低コスト化を図ることもできる。 As described above, the magnetic field detection accuracy can be improved by using the magnetic sensor having the above-described configuration. As a result, the magnetic sensor can be used for various measuring devices. In particular, in this embodiment, the bridge circuit can be formed on one chip, and the magnetic body is formed by a film forming process. Furthermore, since the magnetic material is manufactured by the same manufacturing process as the step of forming the GMR element, variation in individual GMR elements can be reduced, thereby suppressing the offset voltage in the bridge circuit, and further Since the magnetic body can be arranged with high accuracy with respect to the position of the GMR element, the magnetic field detection accuracy can be further improved. In addition, the GMR element constituting the magnetic body and the bridge circuit is formed on one chip, so that the entire chip can be reduced in size, thereby improving the manufacturing efficiency of the chip, Cost reduction can also be achieved.
次に、本発明の第3の実施形態を、図9乃至図10を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ1を利用した計測機器の一例として、電流計を説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an ammeter will be described as an example of a measuring device using the
図9に示すように、電流計は、一部に切断されたギャップ50(空隙部)が形成された略ロの字状(環状)の磁性体コア5を備えており、上記ギャップ50に実施形態1にて説明した磁気センサ1が配置されている。このとき、磁気センサ1は、ギャップ50を形成する磁性体コア5の切断面、つまり、ギャップ50を形成する相互に対向する壁面の一方に、GMR素子R1,R2,R3,R4の形成面を対向させて配置されている。そして、図10に示すように、略ロの字状の磁性体コア5のほぼ中心を貫通するよう導線51(導体)を配置し、この導線51に流れる電流を測定する。
As shown in FIG. 9, the ammeter includes a substantially square-shaped (annular)
以上のように構成することにより、導線51に電流Iが流れると、その周囲を取り囲む磁性体コア5に沿って環状に磁界Hが生じる。すると、ギャップ50に配置された磁気センサ1に形成されたGMR素子R1,R2,R3,R4の形成面には、垂直に磁界Hが入射することとなる。つまり、導線51と磁性体コア5とは、磁気センサ1にて計測される磁界を発生させる磁界発生手段として機能する。
With the configuration described above, when the current I flows through the
そして、導線51に電流Iが流れることによって磁性体コア5に生じた磁界Hは、上記各実施形態にて説明したように、当該磁気センサ1に装備された磁性体21等の影響で曲げられる。これにより、磁界は、磁気センサ1のGMR素子R1,R2,R3,R4に所定の角度で入射することとなる。具体的には、各素子形成部11,12(GMR素子(R1とR2、R3とR4))に対しては、それぞれ反対方向に角度を有して磁界Hが入射することとなる。すると、ブリッジ回路においては、GMR素子R1,R4の抵抗値と、GMR素子R2,R3の抵抗値と、がそれぞれ反対の符号に変化する。例えば、GMR素子R1,R4の抵抗値は+ΔRだけ変化し、GMR素子R2,R3の抵抗値は−ΔRだけ変化する。これにより、差動電圧の検出点であるVaとVbの差が大きくなり、大きな差動電圧値を検出することができる。
The magnetic field H generated in the
以上のように、上記構成の磁気センサ1を用いることで、導線51を流れる電流を高精度に検出することが可能となる。特に、本実施形態では、ブリッジ回路を一チップ上に形成でき、さらに磁性体は成膜プロセスにて形成されている。さらに、上記GMR素子を形成する工程と同一の製造プロセスで行うことから、個々の抵抗値のばらつきを小さくすることができる。このためオフセット電圧を抑制して、さらに、磁性体をGMR素子の位置に対して高精度に配置できることから、磁界検出精度のさらなる向上を図ることができる。加えて、磁性体と上記ブリッジ回路を構成しているGMR素子を、一チップ上に形成しているため、チップ全体の小型化を図ることができる。すると、上述したような磁性体コア5の微小なギャップ50にも配置することが可能であり、様々な計測機器にも適用可能である。
As described above, by using the
次に、本発明の第4の実施形態を、図11乃至図12を参照して説明する。本実施形態は、上述した磁気センサ1を利用した計測機器の一例として、エンコーダ(角度センサ)を説明する。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, an encoder (angle sensor) will be described as an example of a measuring device using the
図11に示すように、エンコーダは、半円柱のN極とS極とが合わさって略円柱状に形成された磁石6(磁界発生手段)を備えている。そして、この磁石6は、円柱の中心軸Cにて回転可能なよう基板や基台に設置されており、その回転周囲に上述した磁気センサ1を備えている。
As shown in FIG. 11, the encoder includes a magnet 6 (magnetic field generating means) formed in a substantially cylindrical shape by combining a semi-cylindrical N pole and S pole. And this magnet 6 is installed in the board | substrate or the base so that it can rotate on the central axis C of a cylinder, and is equipped with the
特に、本実施形態では、上記磁石6の半径方向と、GMR素子R1,R2,R3,R4の磁化固定方向とが一致するよう、磁気センサ1を2つ配置している。このとき、2つの磁気センサ1は、磁石6の中心軸から相互に90度の角度を有して配置されている。
In particular, in this embodiment, two
これにより、磁石6が回転すると、当該磁石6からの磁界Hの向きが回転角に応じて変化するため、各磁気センサ1からは正弦波形の差動電圧値が計測される。例えば、磁気センサ1にN極が近づくほど大きな値の正の電圧が得られ、N極とS極の中間が磁気センサ1に向いているときには0電圧に、そして、S極が近づくほど小さな値の負の電圧が得られる。そして、2つの磁気センサ1は、それぞれ90度ずれて配置されているため、それぞれにおいて計測される電圧値は、位相が90度ずれることとなる。
As a result, when the magnet 6 rotates, the direction of the magnetic field H from the magnet 6 changes according to the rotation angle, so that each
また、エンコーダは、2つの磁気センサ1に接続され、当該各磁気センサ1にて計測される差動電圧が入力される計測部7を備えている。この計測部7は、各磁気センサ1にて計測された位相の異なる正弦波形の電圧値から、sin、cosを用いて、tanを計算することで、磁石6の回転角を求めることができる。なお、磁石6が静止している場合であっても、同様に2つの磁気センサ1の出力からtanを計算することで、磁石6の回転角を算出でき、アブソリュートエンコーダとしても機能しうる。
The encoder includes a measuring
なお、磁気センサ1をエンコーダに用いるときの構成は、上述した構成に限定されない。例えば、磁石6は、必ずしも半円柱毎にN極とS極が分かれている構成されている必要は無く、磁石6の外周面の半分のみがN極に形成されていたり、あるいは、外周面の一部のみがN極に形成されていてもよい。また、磁気センサ1は必ずしも2つ装備することに限定されず、1つでもよく、あるいは、3個以上を配置してもよい。
In addition, the structure when using the
また、上記では、磁気センサ1を用いた計測機器の一例として、電流計とエンコーダを説明したが、本発明における磁気センサ1は、他の様々な計測機器にも適用可能である。
In the above description, an ammeter and an encoder have been described as an example of a measuring device using the
本発明は、磁気センサ、電流計、エンコーダなど、様々な計測機器に利用することができ、産業上の利用可能性を有する。 The present invention can be used for various measuring devices such as a magnetic sensor, an ammeter, an encoder, and has industrial applicability.
1 磁気センサ
10 GMRチップ
11,12 素子形成部
21 磁性体
31,32 磁気回路形成部
41 切り欠き部
5 磁性体コア
50 ギャップ
51 導線
6 磁石
7 計測部
R1,R2,R3,R4 GMR素子
A 磁化固定方向
H 磁界
B 基板
h 磁性体の高さ
w 磁性体の幅
I 導線に流れる電流
C 円柱の中心軸
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